CN111969673A - 一种锂离子动力电池组主动均衡系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种锂离子动力电池组主动均衡系统及方法，属于电池充放电技术领域，解决了现有技术中锂离子动力电池组主动均衡效率低的技术问题。一种锂离子动力电池组主动均衡系统，包括外层均衡电路、多个内层均衡电路及多个锂离子动力电池组；所述内层均衡电路包括电感和MOSFET开关管，通过调节MOSFET开关管的关闭和断开，以调节电感的充电和放电，通过电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组中各电池单体的电压均衡；所述外层均衡电路包括耦合电感和MOSFET开关管，通过调节所述MOSFET开关管的关闭和断开，调节耦合电感的充电和放电，通过耦合电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组之间的电压均衡。提高了锂离子动力电池组主动均衡的效率。

Description

一种锂离子动力电池组主动均衡系统及方法

技术领域

本发明涉及电池充放电技术领域，尤其是涉及一种锂离子动力电池组主动均衡系统及方法。

背景技术

随着传统能源的日渐枯竭和对生态环境保护的考虑，普及电动汽车是未来汽车发展的大势所趋，而动力电池作为存储能量的装置成为了电动汽车的组成关键部分，锂离子动力电池由于具有重量轻、能量密度高、自放电率低、循环寿命较长、绿色环保和无记忆效应等优点，已经被广泛地应用于电动汽车。由于电压等级和功率输出等要求，电动汽车一般采用由数目巨大的单体电池通过串联和并联形成的电池组作为其动力来源；电池组在使用过程中，由于各单体电池之间存在不一致性，连续的充放电循环导致的差异将使某些单体电池的容量加速衰减；如果不加以合理的均衡手段消除这种不一致性，将会影响动力电池组的输出性能和电动汽车续驶里程；电池单体的不一致性差异严重时，甚至会造成电池组使用寿命缩短和电动汽车不安全。

根据电池能量最终去向的不同，均衡技术可以分为被动式均衡技术和主动式均衡技术；被动式均衡技术的原理是将高电压的某节单体电池中多余的能量在并联的电阻上消耗，使该节电池的电压降低到与其他电池相同水平。这种均衡方式，均衡效率低，均衡效果差，会导致能量的浪费。同时，通过电阻消耗能量，电阻不可避免的会发热升温，将带来新的安全隐患，必须为之设计相应的散热装置，系统的设计制造成本也随之上升。主动式均衡技术可以通过储能元件或高频变换器对电池的能量进行相应的转移，是真正意义上的均衡，更具有应用价值和研究意义。

目前的主动式均衡技术大多采用电容、电感、变压器和DC/DC转换器等方式，进行相邻电池间的能量传递，这种方式存在均衡效率低，均衡时间长的缺点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种锂离子动力电池组主动均衡系统及方法，以解决现有技术中锂离子动力电池组主动均衡效率低的技术问题。

一方面，本发明提供了一种锂离子动力电池组主动均衡系统，包括外层均衡电路、多个内层均衡电路及多个锂离子动力电池组，每个所述锂离子动力电池组对应一个内层均衡电路，每个所述锂离子动力电池组包括若干个电池单体；

所述内层均衡电路包括电感和MOSFET开关管，通过调节MOSFET开关管的关闭和断开，以调节电感的充电和放电，通过电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组中各电池单体的电压均衡；

所述外层均衡电路包括耦合电感和MOSFET开关管，通过调节所述MOSFET开关管的关闭和断开，调节耦合电感的充电和放电，通过耦合电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组之间的电压均衡。

进一步地，所述锂离子动力电池组包括2个电池单体BT1、BT2，该锂离子动力电池组对应的内层均衡电路包括1个电感L1和2个MOSFET开关管K1、K2，所述电池单体BT1、BT2串联，所述MOSFET开关管K1、K2串联后与电池单体BT1、BT2并联，所述电感L1的一端接在所述MOSFET开关管K1、K2之间，所述电感L2的另一端接在所述电池单体BT1、BT2之间。

进一步地，所述锂离子动力电池组包括3个电池单体BT5、BT6、BT7，则锂离子动力电池组对应的内层均衡电路包括2个电感L3、L4和4个MOSFET开关管K5、K6、K7、K8；

所述电池单体BT5、BT6串联，MOSFET开关管K5、K6串联后与所述电池单体BT5、BT6并联，所述电感L3的一端接在所述电池单体BT5、BT6之间，所述电感L3的另一端接在所述MOSFET开关管K5、K6之间；

所述电池单体BT6、BT7串联，MOSFET开关管K7、K8串联后与所述电池单体BT6、BT7并联，所述电感L4的一端接在所述电池单体BT6、BT7之间，所述电感L4的另一端接在所述MOSFET开关管K7、K8之间。

进一步地，所述外层均衡电路中耦合电感和MOSFET开关管的数量相同，所述耦合电感的数量为n(n-1)/2，n为电池组的数量，其大于或等于2，所述外层均衡电路包括n个均衡子电路，每个均衡子电路包括n-1个耦合电感的原边或副边及n-1个MOSFET开关管，每一个耦合电感的原边或副边与一个MOSFET开关管串联，组成了一个耦合电路，所述均衡子电路中的n-1个耦合电路并联后连接在锂离子动力电池组的两端；对于一个均衡子电路中的任一耦合电感原边，在其他均衡子电路中存在与之对应的耦合电感副边。

进一步地，所述锂离子动力电池组主动均衡系统还包括PWM信号控制模块，所述PWM信号控制模块，用于向MOSFET开关管发送PWM信号，以调节所述MOSFET开关管的关闭和断开。

另一方面，本发明还提供了一种锂离子动力电池组主动均衡系统的主动均衡方法，包括以下步骤：通过调节MOSFET开关管的关闭和断开，以调节电感的充电和放电，通过电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组中各电池单体的电压均衡；通过调节所述MOSFET开关管的关闭和断开，调节耦合电感的充电和放电，通过耦合电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组之间的电压均衡。

进一步地，所述通过调节MOSFET开关管的关闭和断开，以调节电感的充电和放电，通过电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组中各电池单体的电压均衡，具体包括，所述锂离子动力电池组包括2个电池单体BT1、BT2时，该锂离子动力电池组对应的内层均衡电路包括1个电感L1和2个MOSFET开关管K1、K2，所述电池单体BT1、BT2串联，所述MOSFET开关管K1、K2串联后与电池单体BT1、BT2并联，所述电感L1的一端接在所述MOSFET开关管K1、K2之间，所述电感L2的另一端接在所述电池单体BT1、BT2之间；将PWM信号的一个周期分为区间Ф₁和Ф₂，

若电池单体BT1的电压超过电池单体BT2的电压至第一电压阈值，则在区间Ф₁内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K1闭合，MOSFET开关管K2断开，使电池单体BT1给电感L1充电，在区间Ф₂内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K1断开，MOSFET开关管K2闭合，电池单体BT1停止给电感L1充电，电感L1将能量释放给单体电池BT2；

若电池单体BT2的电压超过电池单体BT1的电压至第一电压阈值，则在区间Ф₁内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K2闭合，MOSFET开关管K1断开，使电池单体BT2给电感L1充电，在区间Ф₂内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K2断开，MOSFET开关管K1闭合，电池单体BT2停止给电感L1充电，电感L1将能量释放给单体电池BT1。

进一步地，所述通过调节MOSFET开关管的关闭和断开，以调节电感的充电和放电，通过电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组中各电池单体的电压均衡，具体包括，所述锂离子动力电池组包括3个电池单体BT5、BT6、BT7时，该锂离子动力电池组对应的内层均衡电路包括2个电感L3、L4和4个MOSFET开关管K5、K6、K7、K8；

所述电池单体BT5、BT6串联，MOSFET开关管K5、K6串联后与所述电池单体BT5、BT6并联，所述电感L3的一端接在所述电池单体BT5、BT6之间，所述电感L3的另一端接在所述MOSFET开关管K5、K6之间；

所述电池单体BT6、BT7串联，MOSFET开关管K7、K8串联后与所述电池单体BT6、BT7并联，所述电感L4的一端接在所述电池单体BT6、BT7之间，所述电感L4的另一端接在所述MOSFET开关管K7、K8之间；将PWM信号的一个周期分为区间Ф₁和Ф₂，

若电池单体BT5的电压超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，并且电池单体BT7的电压超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，则在区间Ф₁内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K5、K8闭合，MOSFET开关管K6、K7断开，使电池单体BT5给电感L3充电，电池单体BT7给电感L4充电；在区间Ф₂内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K5和K8断开，MOSFET开关管K6、K7闭合，电池单体BT5停止给电感L3充电，电池单体BT7停止给电感L4充电，电感L3、L4将能量释放给单体电池BT6，使电池单体BT5、BT6、BT7电压均衡。

进一步地，所述主动均衡方法还包括，

若电池单体BT6的电压超过电池单体BT5的电压至第一电压阈值，并且电池单体BT7的电压超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，则在区间Ф₁内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K6、K8闭合，MOSFET开关管K5、K7断开，使电池单体BT6给电感L3充电，电池单体BT7给电感L4充电；在区间Ф₂内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K6和K8断开，MOSFET开关管K5、K7闭合，电池单体BT6停止给电感L3充电，电池单体BT7停止给电感L4充电，电感L3、L4将各自能量分别释放给单体电池BT5、BT6；

若电池单体BT5的电压超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，并且电池单体BT7的电压未超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，则在区间Ф₁内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K5闭合，MOSFET开关管K6断开，使电池单体BT5给电感L3充电；在区间Ф₂内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K5断开，MOSFET开关管K6闭合，电池单体BT5停止给电感L3充电，电感L3将能量释放给单体电池BT6。

进一步地，通过调节所述MOSFET开关管的关闭和断开，调节耦合电感的充电和放电，通过耦合电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组之间的电压均衡，具体包括，

使所述外层均衡电路中耦合电感和MOSFET开关管的数量相同，所述耦合电感的数量为n(n-1)/2，n为电池组的数量，其大于或等于2，所述外层均衡电路包括n个均衡子电路，每个均衡子电路包括n-1个耦合电感的原边或副边及n-1个MOSFET开关管，每一个耦合电感的原边或副边与一个MOSFET开关管串联，组成了一个耦合电路，所述均衡子电路中的n-1个耦合电路并联后连接在锂离子动力电池组的两端；对于一个均衡子电路中的任一耦合电感原边，在其他均衡子电路中存在与之对应的耦合电感副边；

将PWM信号的一个周期分为区间ψ₁和ψ₂，若一个锂离子动力电池组i的平均电压值超于另一个锂离子动力电池组j的平均电压值至第二电压阈值，则在区间ψ₁内，通过PWM信号控制锂离子动力电池组i中MOSFET开关管S闭合，其他MOSFET开关管断开，使与MOSFET开关管S串联的耦合电感L_i,j充电，同时，给锂离子动力电池组j中的耦合电感L_j,i充电；

在区间ψ₂内，通过PWM信号控制锂离子动力电池组j中MOSFET开关管闭合，其他MOSFET开关管断开，锂离子动力电池组i停止给耦合电感L_i,j充电，锂离子动力电池组j中的耦合电感L_j,i将能量释放给锂离子动力电池组j，使锂离子动力电池组i、j之间的电压均衡。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：通过调节MOSFET开关管的关闭和断开，以调节电感的充电和放电，通过电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组中各电池单体的电压均衡；通过调节所述MOSFET开关管的关闭和断开，调节耦合电感的充电和放电，通过耦合电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组之间的电压均衡；提高了锂离子动力电池组主动均衡的效率。

附图说明

图1为本发明实施例1所述的锂离子动力电池组主动均衡系统结构框图；

图2为本发明实施例1所述的再次组成的主动均衡系统的示意图；

图3为本发明实施例1所述的锂离子动力电池组主动均衡系统的电路拓扑示意图；

图4为本发明实施例2所述的在Ф₁区间内电感L3、L4电流流向示意图；

图5为本发明实施例2所述的在Ф₂区间内电感L3、L4电流流向示意图；

图6为本发明实施例2所述的PWM信号及对应电感的电流波形图；

图7为本发明实施例2所述的在Ψ₁区间内耦合电感原边绕组L_1,3电流流向示意图；

图8为本发明实施例2所述的在Ψ₂区间内耦合电感副边绕组L_3,1电流流向示意图；

图9为本发明实施例2所述的PWM控制信号及耦合电感原边绕组、副边绕组电流波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本发明实施例提供了一种锂离子动力电池组主动均衡系统，其结构框图，如图1所示，所述系统包括外层均衡电路1、多个内层均衡电路2及多个锂离子动力电池组3，每个所述锂离子动力电池组3对应一个内层均衡电路2，每个所述锂离子动力电池组3包括若干个电池单体；

所述内层均衡电路2包括电感和MOSFET开关管，通过调节MOSFET开关管的关闭和断开，以调节电感的充电和放电，通过电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组3中各电池单体的电压均衡；

所述外层均衡电路1包括耦合电感和MOSFET开关管，通过调节所述MOSFET开关管的关闭和断开，调节耦合电感的充电和放电，通过耦合电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组3之间的电压均衡。

需要说明的是，上述系统可作为一个模组，然后以模组代替上述电池单体，与外层均衡电、内层均衡电路再次组成一个主动均衡系统，再次组成的主动均衡系统的示意图，如图2所示，图2中，内层是为内层均衡电路、外层是为外层均衡电路；

优选的，所述锂离子动力电池组包括2个电池单体BT1、BT2，该锂离子动力电池组对应的内层均衡电路包括1个电感L1和2个MOSFET开关管K1、K2，所述电池单体BT1、BT2串联，所述MOSFET开关管K1、K2串联后与电池单体BT1、BT2并联，所述电感L1的一端接在所述MOSFET开关管K1、K2之间，所述电感L2的另一端接在所述电池单体BT1、BT2之间；

一个具体实施例中，锂离子动力电池组主动均衡系统的电路拓扑示意图，如图3所示，电池组在静置或充放电时，驱动电路(PWM信号控制模块)驱动MOSFET开关管导通或断开，通过电感或耦合电感将能量从高能量单体转移至低能量单体，消除各电池单体间的电压差，从而使各个电池单体的电压均衡；

优选的，所述锂离子动力电池组包括3个电池单体BT5、BT6、BT7，该锂离子动力电池组对应的内层均衡电路包括2个电感L3、L4和4个MOSFET开关管K5、K6、K7、K8；

所述电池单体BT5、BT6串联，MOSFET开关管K5、K6串联后与所述电池单体BT5、BT6并联，所述电感L3的一端接在所述电池单体BT5、BT6之间，所述电感L3的另一端接在所述MOSFET开关管K5、K6之间；

所述电池单体BT6、BT7串联，MOSFET开关管K7、K8串联后与所述电池单体BT6、BT7并联，所述电感L4的一端接在所述电池单体BT6、BT7之间，所述电感L4的另一端接在所述MOSFET开关管K7、K8之间；

一个具体实施例中，内层均衡电路以2个或3个电池单体为一组，当构成锂离子动力电池组，采用单电感作为储能元件，MOSFET开关管由PWM信号控制，实现相邻单体间的能量转换；

优选的，所述外层均衡电路中耦合电感和MOSFET开关管的数量相同，所述耦合电感的数量为n(n-1)/2，n为电池组的数量，其大于或等于2，所述外层均衡电路包括n个均衡子电路，每个均衡子电路包括n-1个耦合电感的原边或副边及n-1个MOSFET开关管，每一个耦合电感的原边或副边与一个MOSFET开关管串联，组成了一个耦合电路，所述均衡子电路中的n-1个耦合电路并联后连接在锂离子动力电池组的两端；对于一个均衡子电路中的任一耦合电感原边，在其他均衡子电路中存在与之对应的耦合电感副边；

一个具体实施例中，外层均衡电路以若干个电池组为一组，最优以3个为一组，当以3个电池组时，采用耦合电感(L_1,2与L_2,1、L_1,3与L_3,1以及L_2,3与L_3,1)作为储能元件,MOSFET开关管由PWM信号控制，实现任意两个电池组单元间的能量转换；

优选的，所述锂离子动力电池组主动均衡系统还包括PWM信号控制模块，所述PWM信号控制模块，用于向MOSFET开关管发送PWM信号，以调节所述MOSFET开关管的关闭(闭合、导通)和断开。

实施例2

本发明实施例提供了一种采用如实施例1所述的锂离子动力电池组主动均衡系统的主动均衡方法，包括以下步骤：通过调节MOSFET开关管的关闭和断开，以调节电感的充电和放电，通过电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组中各电池单体的电压均衡；通过调节所述MOSFET开关管的关闭和断开，调节耦合电感的充电和放电，通过耦合电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组之间的电压均衡。

优选的，所述通过调节MOSFET开关管的关闭和断开，以调节电感的充电和放电，通过电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组中各电池单体的电压均衡，具体包括，所述锂离子动力电池组包括2个电池单体BT1、BT2时，该锂离子动力电池组对应的内层均衡电路包括1个电感L1和2个MOSFET开关管K1、K2，所述电池单体BT1、BT2串联，所述MOSFET开关管K1、K2串联后与电池单体BT1、BT2并联，所述电感L1的一端接在所述MOSFET开关管K1、K2之间，所述电感L2的另一端接在所述电池单体BT1、BT2之间；将PWM信号的一个周期分为区间Ф₁和Ф₂，

若电池单体BT1的电压超过电池单体BT2的电压至第一电压阈值，则在区间Ф₁内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K1闭合，MOSFET开关管K2断开，使电池单体BT1给电感L1充电，在区间Ф₂内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K1断开，MOSFET开关管K2闭合，电池单体BT1停止给电感L1充电，电感L1将能量释放给单体电池BT2；

若电池单体BT2的电压超过电池单体BT1的电压至第一电压阈值，则在区间Ф₁内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K2闭合，MOSFET开关管K1断开，使电池单体BT2给电感L1充电，在区间Ф₂内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K2断开，MOSFET开关管K1闭合，电池单体BT2停止给电感L1充电，电感L1将能量释放给单体电池BT1；

优选的，所述通过调节MOSFET开关管的关闭和断开，以调节电感的充电和放电，通过电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组中各电池单体的电压均衡，具体包括，所述锂离子动力电池组包括3个电池单体BT5、BT6、BT7时，该锂离子动力电池组对应的内层均衡电路包括2个电感L3、L4和4个MOSFET开关管K5、K6、K7、K8；

所述电池单体BT5、BT6串联，MOSFET开关管K5、K6串联后与所述电池单体BT5、BT6并联，所述电感L3的一端接在所述电池单体BT5、BT6之间，所述电感L3的另一端接在所述MOSFET开关管K5、K6之间；

所述电池单体BT6、BT7串联，MOSFET开关管K7、K8串联后与所述电池单体BT6、BT7并联，所述电感L4的一端接在所述电池单体BT6、BT7之间，所述电感L4的另一端接在所述MOSFET开关管K7、K8之间；将PWM信号的一个周期分为区间Ф₁和Ф₂，

若电池单体BT5的电压超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，并且电池单体BT7的电压超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，则在区间Ф₁内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K5、K8闭合，MOSFET开关管K6、K7断开，使电池单体BT5给电感L3充电，电池单体BT7给电感L4充电；在区间Ф₂内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K5和K8断开，MOSFET开关管K6、K7闭合，电池单体BT5停止给电感L3充电，电池单体BT7停止给电感L4充电，电感L3、L4将能量释放给单体电池BT6，使电池单体BT5、BT6、BT7电压均衡。

优选的，所述主动均衡方法还包括，

若电池单体BT6的电压超过电池单体BT5的电压至第一电压阈值，并且电池单体BT7的电压超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，则在区间Ф₁内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K6、K8闭合，MOSFET开关管K5、K7断开，使电池单体BT6给电感L3充电，电池单体BT7给电感L4充电；在区间Ф₂内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K6和K8断开，MOSFET开关管K5、K7闭合，电池单体BT6停止给电感L3充电，电池单体BT7停止给电感L4充电，电感L3、L4将各自能量分别释放给单体电池BT5、BT6；

若电池单体BT5的电压超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，并且电池单体BT7的电压未超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，则在区间Ф₁内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K5闭合，MOSFET开关管K6断开，使电池单体BT5给电感L3充电；在区间Ф₂内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K5断开，MOSFET开关管K6闭合，电池单体BT5停止给电感L3充电，电感L3将能量释放给单体电池BT6；

需要说明的是，还存在电池单体BT5的电压超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，并且电池单体BT6的电压超过电池单体BT7的电压至第一电压阈值的情况，以及存在电池单体BT7的电压超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，并且电池单体BT5的电压未超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值等情况，均衡流程与上述过程类似；

一个具体实施中，以图2中电池单体BT5、BT6、BT7三者间的均衡为例，假设电池单体的电压值分别为V₅、V₆、V₇，且V₅>V₆、V₇>V₆(此时第一电压阈值为0)利用PWM信号控制K5和K8，而K6、K7断开，将电池单体BT5和BT7的能量转移至电池单体BT6，控制开关管K的PWM波形一致，每个周期可分为两个区间Ф₁、Ф₂；

在区间Ф₁内，开关管K5和K8导通，电池单体BT5给电感L3充电，电池单体BT7给电感L4充电；在区间Ф₂内，开关管K5和K8断开，单体电池停止给电感充电，同时，电感L3和L4经K6和K8的二极管将能量释放给单体电池BT6，直至电感L3和L4的能量完全释放完，电流值下降至0；在Ф₁区间内电感L3、L4电流流向示意图，如图4所示，在Ф₂区间内电感L3、L4电流流向示意图，如图5所示；

PWM信号及对应电感的电流波形图，如图6所示，在区间Ф₁内，开关管导通，电池单体给电感充电，假设电路中的电感值为L,电池单体端电压为V_Bon，则电感电流为

当t＝DT时，电流达到最大值，

其中，D表示PWM控制信号(PWM信号)占空比，T表示控制信号周期，t表示时间；在区间Ф₂内，开关管关断，电感通过续流二极管给电池单体充电，假设被充电单体的端电压为V_Boff,则电感电流为

其中，T_e表示电感电流下降至零的时刻，为使电感工作在断续状态，则有T_e<T,由上式可得

因此，PWM控制信号占空比D取值范围为

根据上式可综合考虑电感值、电池单体端电压和控制信号周期，确定合适的占空比，以最大限度地发挥电感性能，提高均衡效率；

优选的，通过调节所述MOSFET开关管的关闭和断开，调节耦合电感的充电和放电，通过耦合电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组之间的电压均衡，具体包括，

使所述外层均衡电路中耦合电感和MOSFET开关管的数量相同，所述耦合电感的数量为n(n-1)/2，n为电池组的数量，其大于或等于2，所述外层均衡电路包括n个均衡子电路，每个均衡子电路包括n-1个耦合电感的原边或副边及n-1个MOSFET开关管，每一个耦合电感的原边或副边与一个MOSFET开关管串联，组成了一个耦合电路，所述均衡子电路中的n-1个耦合电路并联后连接在锂离子动力电池组的两端；对于一个均衡子电路中的任一耦合电感原边，在其他均衡子电路中存在与之对应的耦合电感副边；

将PWM信号的一个周期分为区间ψ₁和ψ₂，若一个锂离子动力电池组i的平均电压值超于另一个锂离子动力电池组j的平均电压值至第二电压阈值，则在区间ψ₁内，通过PWM信号控制锂离子动力电池组i中MOSFET开关管S闭合，其他MOSFET开关管断开，使与MOSFET开关管S串联的耦合电感L_i,j充电，同时，给锂离子动力电池组j中的耦合电感L_j,i充电；

在区间ψ₂内，通过PWM信号控制锂离子动力电池组j中MOSFET开关管闭合，其他MOSFET开关管断开，锂离子动力电池组i停止给耦合电感L_i,j充电，锂离子动力电池组j中的耦合电感L_j,i将能量释放给锂离子动力电池组j，使锂离子动力电池组i、j之间的电压均衡；

一个具体实施例中，外层均衡电路以若干个电池组为一组，最优以3个为一组，当以3个电池组时，采用耦合电感(L_1,2与L_2,1、L_1,3与L_3,1以及L_2,3与L_3,1)作为储能元件,MOSFET开关管由PWM信号控制，实现任意两个电池组单元间的能量转换；

以BT1-BT2与BT5-BT6-BT7间的均衡为例，假设个电池单体电压分别为V₁、V₂、V₅、V₆和V₇，则两电池组单元的平均电压值分别为M₁＝(V₁+V₂)/2和M₂＝(V₅+V₆+V₇)/3；假设M₁>M₂(此时第二电压阈值为0)，利用PWM控制开关管S1，而其它开关管断开，将电池组单元BT1-BT2的能量转移至电池组单元BT5-BT6-BT7；每个周期分为两个区间Ψ₁、Ψ₂；

在区间Ψ₁内，开关管S2导通，电池组单元BT1-BT2给耦合电感的原边绕组L_1,3充电，并将能量存储在耦合电感中；在区间Ψ₂内，开关管S2断开，单体电池停止给耦合电感充电，同时，耦合电感副边绕组L_3,1经开关管S5的二极管将能量释放给电池组单元BT5-BT6-BT7，直至副边绕组L_3,1的能量完全释放完，电流值下降至0；在Ψ₁区间内耦合电感原边绕组L_1,3电流流向示意图，如图7所示，在Ψ₂区间内耦合电感副边绕组L_3,1电流流向示意图，如图8所示；

PWM控制信号及耦合电感原边绕组、副边绕组电流波形图，如图9所示，在区间Ф₁内，开关管导通，电池组给给耦合电感充能，假设耦合电感原边绕组与副边绕组的匝数为N₁和N₂，原边绕组励磁电感与副边绕组励磁电感大小分别为L₁和L₂,电池组端电压为V_Pon,则耦合电感原边绕组充电电流i_LC为

当t＝DT时，耦合电感原边绕组充电电流达到最大值

上式中，D表示PWM控制信号占空比，T表示控制信号周期，t表示时间；在区间Ф₂内，开关管关断，电感通过续流二极管给电池单体充电，假设被充电电池组的端电压为V_Poff,则耦合电感副边绕组放电电流

其中，T_e表示电感电流下降至零的时刻，i_LDmax表示副边绕组放电电流最大值，由下式计算

为使耦合电感工作在断续状态，则有T_e<T,由耦合电感副边绕组放电电流计算公式可得

因此，PWM控制信号占空比取值范围为

根据上式，可综合考虑耦合电感原副边绕组匝数、电感值、电池组单元端电压和控制信号周期，确定合适的占空比，以最大限度地发挥耦合电感性能，提高均衡效率；

一个具体实施例中，内层均衡电路相邻两电池单体间电压差ΔVcell＝|V_i-V_i+1|>10mV,即第一电压阈值设为10mV，则开启内层均衡电路，控制对应MOSFET开关管将能量从高能量单体转移至递能量单体；

外层均衡电路任意两电池组单元平均电压差ΔV_pack＝|M_i-M_j|>10mV(i≠j),则开启外层均衡电路，控制对应MOSFET开关管将能量从高能量电池组单元转移至递能量电池组单元，其中，

M_i为电池组i的平均电压,V_pack为电池组总电压，n为该电池组单元包含的电池单体个数；

需要说明的是，电池组会因为各个单体电池间的差异而出现不均衡的情况，只有当有单体电池完全充满或完全放空时，电池组才会受到影响；当电池组的某个电池的电压下降至放电截止电压，而其它电池还有电量时，整个电池组不能继续放电，否则会损害电池的健康状态，因此无法充分利用电池组的能量；当电池组的某个电池的电压上升至充电截止电压，而其它电池还没有充满时，整个电池组不能继续充电；当电池组中不存在达到充电截止电压或放电截止电压的电池时，即使存在不均衡的情况，电池组仍然能够正常充放电；因此，只要保证所有的电池同时充满或同时防空，既不损害电池的健康状态，又充分利用电池组的能量。

本发明公开了一种锂离子动力电池组主动均衡系统及方法，通过调节MOSFET开关管的关闭和断开，以调节电感的充电和放电，通过电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组中各电池单体的电压均衡；通过调节所述MOSFET开关管的关闭和断开，调节耦合电感的充电和放电，通过耦合电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组之间的电压均衡；提高了锂离子动力电池组主动均衡的效率；通过采用电感和耦合电感相结合的电路结构设计，能在不相邻单体电池之间进行能量传递，并高效地对电池组的充放电过程进行主动均衡管理。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种锂离子动力电池组主动均衡系统，其特征在于，包括外层均衡电路、多个内层均衡电路及多个锂离子动力电池组，每个所述锂离子动力电池组对应一个内层均衡电路，每个所述锂离子动力电池组包括若干个电池单体；

所述内层均衡电路包括电感和MOSFET开关管，通过调节MOSFET开关管的关闭和断开，以调节电感的充电和放电，通过电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组中各电池单体的电压均衡；

所述外层均衡电路包括耦合电感和MOSFET开关管，通过调节所述MOSFET开关管的关闭和断开，调节耦合电感的充电和放电，通过耦合电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组之间的电压均衡。

2.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组主动均衡系统，其特征在于，所述锂离子动力电池组包括2个电池单体BT1、BT2，该锂离子动力电池组对应的内层均衡电路包括1个电感L1和2个MOSFET开关管K1、K2，所述电池单体BT1、BT2串联，所述MOSFET开关管K1、K2串联后与电池单体BT1、BT2并联，所述电感L1的一端接在所述MOSFET开关管K1、K2之间，所述电感L2的另一端接在所述电池单体BT1、BT2之间。

3.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组主动均衡系统，其特征在于，所述锂离子动力电池组包括3个电池单体BT5、BT6、BT7，则锂离子动力电池组对应的内层均衡电路包括2个电感L3、L4和4个MOSFET开关管K5、K6、K7、K8；

所述电池单体BT5、BT6串联，MOSFET开关管K5、K6串联后与所述电池单体BT5、BT6并联，所述电感L3的一端接在所述电池单体BT5、BT6之间，所述电感L3的另一端接在所述MOSFET开关管K5、K6之间；

所述电池单体BT6、BT7串联，MOSFET开关管K7、K8串联后与所述电池单体BT6、BT7并联，所述电感L4的一端接在所述电池单体BT6、BT7之间，所述电感L4的另一端接在所述MOSFET开关管K7、K8之间。

4.根据权利要求1所述的锂离子动力电池组主动均衡系统，其特征在于，所述外层均衡电路中耦合电感和MOSFET开关管的数量相同，所述耦合电感的数量为n(n-1)/2，n为电池组的数量，其大于或等于2，所述外层均衡电路包括n个均衡子电路，每个均衡子电路包括n-1个耦合电感的原边或副边及n-1个MOSFET开关管，每一个耦合电感的原边或副边与一个MOSFET开关管串联，组成了一个耦合电路，所述均衡子电路中的n-1个耦合电路并联后连接在锂离子动力电池组的两端；对于一个均衡子电路中的任一耦合电感原边，在其他均衡子电路中存在与之对应的耦合电感副边。

5.根据权利要求1-4任一项所述的锂离子动力电池组主动均衡系统，其特征在于，还包括PWM信号控制模块，所述PWM信号控制模块，用于向MOSFET开关管发送PWM信号，以调节所述MOSFET开关管的关闭和断开。

6.一种采用如权利要求1所述的锂离子动力电池组主动均衡系统的主动均衡方法，其特征在于，包括以下步骤：通过调节MOSFET开关管的关闭和断开，以调节电感的充电和放电，通过电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组中各电池单体的电压均衡；通过调节所述MOSFET开关管的关闭和断开，调节耦合电感的充电和放电，通过耦合电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组之间的电压均衡。

7.根据权利要求6所述的主动均衡方法，其特征在于，所述通过调节MOSFET开关管的关闭和断开，以调节电感的充电和放电，通过电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组中各电池单体的电压均衡，具体包括，所述锂离子动力电池组包括2个电池单体BT1、BT2时，该锂离子动力电池组对应的内层均衡电路包括1个电感L1和2个MOSFET开关管K1、K2，所述电池单体BT1、BT2串联，所述MOSFET开关管K1、K2串联后与电池单体BT1、BT2并联，所述电感L1的一端接在所述MOSFET开关管K1、K2之间，所述电感L2的另一端接在所述电池单体BT1、BT2之间；将PWM信号的一个周期分为区间Ф₁和Ф₂，

若电池单体BT1的电压超过电池单体BT2的电压至第一电压阈值，则在区间Ф₁内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K1闭合，MOSFET开关管K2断开，使电池单体BT1给电感L1充电，在区间Ф₂内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K1断开，MOSFET开关管K2闭合，电池单体BT1停止给电感L1充电，电感L1将能量释放给单体电池BT2；

若电池单体BT2的电压超过电池单体BT1的电压至第一电压阈值，则在区间Ф₁内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K2闭合，MOSFET开关管K1断开，使电池单体BT2给电感L1充电，在区间Ф₂内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K2断开，MOSFET开关管K1闭合，电池单体BT2停止给电感L1充电，电感L1将能量释放给单体电池BT1。

8.根据权利要求6所述的主动均衡方法，其特征在于，所述通过调节MOSFET开关管的关闭和断开，以调节电感的充电和放电，通过电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组中各电池单体的电压均衡，具体包括，所述锂离子动力电池组包括3个电池单体BT5、BT6、BT7时，该锂离子动力电池组对应的内层均衡电路包括2个电感L3、L4和4个MOSFET开关管K5、K6、K7、K8；

所述电池单体BT5、BT6串联，MOSFET开关管K5、K6串联后与所述电池单体BT5、BT6并联，所述电感L3的一端接在所述电池单体BT5、BT6之间，所述电感L3的另一端接在所述MOSFET开关管K5、K6之间；

所述电池单体BT6、BT7串联，MOSFET开关管K7、K8串联后与所述电池单体BT6、BT7并联，所述电感L4的一端接在所述电池单体BT6、BT7之间，所述电感L4的另一端接在所述MOSFET开关管K7、K8之间；将PWM信号的一个周期分为区间Ф₁和Ф₂，

若电池单体BT5的电压超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，并且电池单体BT7的电压超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，则在区间Ф₁内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K5、K8闭合，MOSFET开关管K6、K7断开，使电池单体BT5给电感L3充电，电池单体BT7给电感L4充电；在区间Ф₂内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K5和K8断开，MOSFET开关管K6、K7闭合，电池单体BT5停止给电感L3充电，电池单体BT7停止给电感L4充电，电感L3、L4将能量释放给单体电池BT6，使电池单体BT5、BT6、BT7电压均衡。

9.根据权利要求8所述的主动均衡方法，其特征在于，还包括，

若电池单体BT6的电压超过电池单体BT5的电压至第一电压阈值，并且电池单体BT7的电压超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，则在区间Ф₁内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K6、K8闭合，MOSFET开关管K5、K7断开，使电池单体BT6给电感L3充电，电池单体BT7给电感L4充电；在区间Ф₂内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K6和K8断开，MOSFET开关管K5、K7闭合，电池单体BT6停止给电感L3充电，电池单体BT7停止给电感L4充电，电感L3、L4将各自能量分别释放给单体电池BT5、BT6；

若电池单体BT5的电压超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，并且电池单体BT7的电压未超过电池单体BT6的电压至第一电压阈值，则在区间Ф₁内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K5闭合，MOSFET开关管K6断开，使电池单体BT5给电感L3充电；在区间Ф₂内，通过PWM信号控制MOSFET开关管K5断开，MOSFET开关管K6闭合，电池单体BT5停止给电感L3充电，电感L3将能量释放给单体电池BT6。

10.根据权利要求6所述的主动均衡方法，其特征在于，通过调节所述MOSFET开关管的关闭和断开，调节耦合电感的充电和放电，通过耦合电感的充电和放电，使对应锂离子动力电池组之间的电压均衡，具体包括，

使所述外层均衡电路中耦合电感和MOSFET开关管的数量相同，所述耦合电感的数量为n(n-1)/2，n为电池组的数量，其大于或等于2，所述外层均衡电路包括n个均衡子电路，每个均衡子电路包括n-1个耦合电感的原边或副边及n-1个MOSFET开关管，每一个耦合电感的原边或副边与一个MOSFET开关管串联，组成了一个耦合电路，所述均衡子电路中的n-1个耦合电路并联后连接在锂离子动力电池组的两端；对于一个均衡子电路中的任一耦合电感原边，在其他均衡子电路中存在与之对应的耦合电感副边；

将PWM信号的一个周期分为区间ψ₁和ψ₂，若一个锂离子动力电池组i的平均电压值超于另一个锂离子动力电池组j的平均电压值至第二电压阈值，则在区间ψ₁内，通过PWM信号控制锂离子动力电池组i中MOSFET开关管S闭合，其他MOSFET开关管断开，使与MOSFET开关管S串联的耦合电感L_i,j充电，同时，给锂离子动力电池组j中的耦合电感L_j,i充电；

在区间ψ₂内，通过PWM信号控制锂离子动力电池组j中MOSFET开关管闭合，其他MOSFET开关管断开，锂离子动力电池组i停止给耦合电感L_i,j充电，锂离子动力电池组j中的耦合电感L_j,i将能量释放给锂离子动力电池组j，使锂离子动力电池组i、j之间的电压均衡。

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